并发编程（学习笔记一进程与线程）

Posted 2021-06-19 LL.LEBRON

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1.进程与线程

1.1线程与进程

进程

• 程序由指令和数据组成，但这些指令要运行，数据要读写，就必须将指令加载至CPU，数据加载至内存。在指令运行过程中还需要用到磁盘，网络等设备。进程就是用来加载指令，管理内存，管理OI的。
• 当一个程序被运行，从磁盘加载这个程序的代码至内存，这时就开启了一个进程。
• 进程就可以视为程序的一个实例。大部分程序可以同时运行多个实例进程（例如记事本，画图，浏览器等），也有程序只能启动一个实例进程（例如网易云音乐，360安全卫士等）。

线程

• 一个进程之内可以分为一到多个线程。
• 一个线程就是一个指令流，将指令流中的一条条指令以一定的顺序交给CPU执行。
• java中，线程作为最小调度单位，进程作为资源分配的最小单位。在windows中进程是不活动的，只是作为线程的容器。

二者对比

• 进程基本上相互独立，而线程存在于进程内，是进程的一个子集。
• 进程拥有共享的资源，如内存空间，供其内部的线程共享。
• 进程间通信较为复杂
  • 同一台计算机的进程通信称为IPC（Inter-process communication).
  • 不同计算机之间的进程通信，需要通过网络，并遵守共同的协议，如HTTP。
• 线程通信相对简单，因为它们共享进程内的内存。一个例子是多个线程可以访问同一个共享变量。
• 线程更轻量，线程上下文切换成本一般比进程上下文切换低。

1.2并行与并发

并发

单核cpu下，线程实际还是串行执行的。操作系统中有一个组件叫做任务调度器，将cpu的时间片（windows下时间片最小约15毫秒）分给不同线程使用，只是由于cpu在线程间（时间片很短）的切换非常快。人类感觉是同时运行的。总结一句话就是：微观串行，宏观并行。

一般会将这种线程轮流使用cpu的做法称为并发（concurrent）。

并行

多核cpu下，每个核（core）都可以调度运行线程，这时候线程可以是并行的。

引用Rob Pike的一段描述：

• 并发（concurrent)是同一时间应直接对（dealing with）多件事情的能力
• 并行（parallel）是同一时间动手做（doing）多件事情的能力。

1.3应用

应用之异步调用（案例1）

以调用的角度来讲，如果

• 需要等待结果返回，才能继续运行就是同步。
• 不需要等待结果返回，就能继续运行就是异步。

（1）设计

多线程可以让方法执行变为异步（即不要干巴巴等着）比如说读取磁盘文件时，假设读取操作花费了5秒钟，如果没有线程调度机制，这5

秒cpu什么都做不了，其他代码都得暂停。

（2）结论

• 比如在项目中，视频文件需要转换格式等操作比较费时时，这时开一个新线程处理视频转换，避免阻塞主线程。
• tomcat的异步servlet也是类似目的，让用户线程处理耗时较长的操作，避免阻塞tomcat的工作线程。
• ui程序中，开线程进行其他操作，避免阻塞ui线程。

应用之提高效率（案例1）

充分利用多核cpu的优势，提高运行效率。想象下面的场景，执行 3 个计算，最后将计算结果汇总。

计算1 花费 10 ms
计算2 花费 11 ms
计算3 花费 9 ms
汇总需要 1 ms

• 如果是串行执行，那么总共花费的时间是
  $$10+11+9+1=31ms$$

• 但如果是四核cpu，各个核心分别使用线程1执行计算1，线程2执行计算1，线程3执行计算3，那么3个线程是并行的吗，花费时间只取决于最长的那个线程运行的时间，11ms最后加上汇总时间总共只花费 12ms。

注意

需要在多核cpu中才能提高效率，单核仍然是轮流执行

（1）执行

（2）结论

1. 单核cpu下，多线程不能实际提高程序运行效率，只是为了能够在不同任务之间切换，不同线程切换轮流使用cpu，不至于一个线程总占用cpu，别的线程没法干活。
2. 多核cpu可以并行跑多个线程，但能否提高程序运行效率还是要分情况的
   • 有些任务，经过精心设计，将任务拆分，并行执行，当然可以提高程序的运行效率，但不是所有计算任务都能拆分。（参考后文的【阿姆达定律】）。
   • 也不是所有任务都需要拆分，任务的目的如果不同，谈拆分和效率没啥意义。
3. IO操作不占用cpu，只是我们一般拷贝文件使用的是【阻塞IO】，这时相当于线程虽然不用cpu，但需要一直等待IO结束，没能充分利用线程，所有才有后面的【非阻塞IO】和【异步IO】优化。